Stroming meten met een wiebelend buisje

Tot milligrammen per uur

11 december 2012


Een milligram per uur: vloeistofstroming meten met een ‘wiebelend’ buisje dat een diameter heeft van slechts 40 micrometer kan uiterst nauwkeurig. De sensor maakt gebruik van het zogenaamde Coriolis-effect en is dankzij een nieuwe techniek nog compacter te maken, voor bijvoorbeeld medische toepassingen. Onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT publiceren erover in Applied Physics Letters.

Coriolismeters zijn vaak enorme instrumenten die in een pijpleiding worden gemonteerd om nauwkeurig de vloeistofstroming te meten. Teruggebracht tot micrometer-afmetingen, ontstaat een sensor die uiterst langzaam bewegende, kleine hoeveelheden vloeistoffen kan meten. De vloeistof wordt daarvoor door een rechthoekig buisje geleid die in een wiebelende beweging wordt gebracht. Het Coriolis-effect veroorzaakt vervolgens dat de buis ook opwaarts gaat bewegen. Die opwaartse beweging is een maat voor de hoeveelheid vloeistof die erdoor stroomt.

Scanning Electron Microscope opname van de Coriolis mass flow sensor

Werkingsprincipe: het buisje wordt geroteerd in een wiebelende beweging (gekromde pijlen). De stromende vloeistof ervaart dan door het Coriolis effect ook een opwaartse kracht, die een maat is voor de flow

Zonder magneten

Tot nu toe werden magneten ingezet om de wiebelende beweging in gang te zetten. Een van de bezwaren was dat de magneten een flink stuk groter zijn dan de sensor zelf. Onderzoeker Harmen Droogendijk introduceert in het artikel in Applied Physics Letters een nieuwe manier, die ‘parametrische excitatie’ heet. Op de buis en parallel aan de buis zijn tientallen ‘elektrische vingers’ geplaatst die in elkaar bewegen en die de verplaatsing van de buis kunnen meten. Maar je kunt ze ook gebruiken om de buis juist in bewéging te zetten, was Droogendijk’s gedachte. In een beperkt gebied van elektrische spanning blijkt de buis veel sterker op en neer te bewegen dan bij een lagere of hogere spanning: dit moet heel precies getuned worden. Modelberekeningen van Droogendijk leidden tot een nieuw ontwerp dat geen magneten meer gebruikt. Vervolgonderzoek moet onder meer uitwijzen of de huidige ondergrens van ongeveer 1 milligram per uur nog verder verlaagd kan worden.

Detail van de ‘vingers’op de buis (schuin van linksonder naar rechtsboven, met drie parallelle lijnen erop) en aan weerszijden ervan, voor de wiebelende beweging

Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Transducers Science and Technology, geleid door prof. Gijs Krijnen. De groep maakt deel uit van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT. Het onderzoek is mogelijk gemaakt door NanoNed NL.

Vervolgonderzoek moet onder meer uitwijzen of de huidige ondergrens van ongeveer 1 milligram per uur nog verder verlaagd kan worden.

De Coriolis mass flow sensor wordt door Bronkhorst High-Tech in Ruurlo verder ontwikkeld tot een precisieinstrument voor bijvoorbeeld controle in medische infuuspompen, voor de analyse van medicijnen met vloeistofchromatografie, in microreactoren of bij de productie van zonnecellen.

Het artikel ‘Parametric excitation of a micro Coriolis mass flow sensor’, door Harmen Droogendijk, Jarno Groenesteijn, Jeroen Haneveld (Micronit Microfluidics), Remco Sanders, Remco Wiegerink, Theo Lammerink, Joost Lötters (Bronkhorst High-Tech) en Gijs Krijnen, is verschenen in Applied Physics Letters. Het artikel kan toegestuurd worden.

Contactpersoon
Wiebe van der Veen, mobiel 06 1218 5692